课件3 - 动力电池与能源管理

项目三、动力电池与能源管理,xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx,xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx,学习导航,学习目标,掌握电动汽车的结构与分类；掌握电池主要参数；掌握镍氢电池、锂离子电池、飞轮电池、超级电容的结构与原理；掌握电源数据采集方法与电量管理以及数据通信系统；掌握充电站基本构成；掌握充电的方法；,此处贴入教材的封面所有ppt需要设置为阅读权限后公布。,3.1.1动力电池的基本概念,请简述出电池的技术发明与发展过程,1800年代，亚历山大伏特制成了人类历史上最早的电池，后人称之为伏特电池.。,3.1.1动力电池的基本概念,在电动汽车发展的技术发展中，电池的安全与续航能力一直是电动汽车发展的瓶颈。现在通过技术创新与技术改进，电池技术已经有了很大的突破。,3.1.1动力电池的基本概念,电池主要参数,1.电压什么是工作电压？什么是额定电压？什么是终止电压？什么是充电电压？什么是端电压？什么是开路电压？什么是电动势？,电池的放电过程,3.1.1动力电池的基本概念,容量与比容量,什么是容量？什么是比容量？什么是额定容量？什么是实际容量？,2.1.1动力电池的基本概念,3.功率与比功率,什么是功率？什么是比功率？,3.1.1动力电池的基本概念,4.放电率,什么是放电率？什么是时率？什么是倍率？什么是放电深度？,3.1.1动力电池的基本概念,5.荷电状态,荷电状态，是指剩余电量与额定容量或实际容量的比例。,3.1.1动力电池的基本概念,6.自放电与存储性能,什么是自放电与存储性能？电池自放电的大小用自放电率衡量，通常以单位时间内容量减少的百分比表示：自放电率=(C1-C2)/C1100%C1：储存前电池容量C2：储存后电池容量,3.1.1动力电池的基本概念,7.使用寿命,什么是使用寿命？什么是充放电循环寿命？,3.1.2新能源汽车对动力电池的要求,请思考：电动汽车电池应当能具有哪些性能要求？,由于动力电池的能量密度远远低于燃油的能量密度，使得电动汽车的质量有较大增加，碰撞中需要车辆耗散的动能明显增加，产生的事故后果也更为严重。,3.1.2新能源汽车对动力电池的要求,电安全设计要求有哪些？,由于电动汽车集成了大量的高压电气设备和线束，所以纯电动汽车在发生危险工况下的电安全设计要求非常重要。,监控,布局,3.1.3常用电动汽车动力电池,常用的车用动力电池主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂电池等。,请说说各自的优缺点？,3.1.4铅酸电池,铅酸蓄电池工作过程是化学能与电能的相互转化。什么是放电过程？什么是充电过程？,铅酸电池型号标注,3.1.4铅酸电池,镍镉电池,1-正极板2-接线柱3-加液口盖4-绝缘导管5-负极板6-吊架7-单格电池连接条8-极板骨架9-绝缘层10-镀镍薄钢板11-外壳12-通孔13-活性物质14-正极板导管15-氢氧化镉,3.1.5镍氢（MH/Ni）电池,3.1.5镍氢（MH/Ni）电池,什么是镍氢电池？和镍镉电池比较有哪些优点？,镍镉电池,镍氢电池,镍氢电池是目前除锂电池外另一主流电动车动力电池种类，于上世纪90年代后逐渐发展开来，如以丰田普锐斯为代表的很多混合动力汽车均采用此类电池作为储能元件。其能量密度与普通的锂电池差距并不大，约为70-100Wh/kg，但由于电池单体电压仅为1.2V，是锂电池的1/3，因此在需求电压一定的情况下，其电池组的体积要比锂电池大上一些。,3.1.5镍氢（MH/Ni）电池,请思考：影响镍氢电池的因素有哪些？有哪些保护措施？,镍氢电池的工作反应,混动汽车镍氢电池组,3.1.5镍氢（MH/Ni）电池,3.1.6锂离子电池,什么是锂离子电池？有哪些特性和优点？,充电和锂离子电池仅由锂的位移放电离子实现，这个过程被称为“离子移动”。当卸载原子锂失去电子给外部电路成为带正电荷的离子（Li+）时，它的内部电路通过电解质向正极金属电极迁移并被沉积在氧化物层。当装载嵌入式锂离子从金属-氧化物层的释放，并通过电解质和隔膜插入石墨负电极迁移为从正极在外部电路接收的电子，这都是吸和抽到负电极如在外部电路由生成器从加上电极的分隔符。,3.1.6锂离子电池,电解液的类型,3.1.6锂离子电池,汽车用锂离子电池主要有哪些？,3.1.6锂离子电池,锂离子电池正极材料的特性,3.1.6锂离子电池,磷酸铁锂电池,优势：低成本，较好的循环性能，安全性好，环境友好。缺点：振实密度低，导电性差，低温性能差，量产产品性能稳定性差。,3.1.6锂离子电池,锂电池与其他二次电池的对比,锂离子电池结构与化学反应,充电正极上发生的反应为：LiCoO2=Li(1-x)CoO2+XLi+Xe-充电负极上发生的反应为：6C+XLi+Xe-=LixC6充电电池总反应：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6充电时：LiFePO4Li1-xFePO4+xLi+xe-放电时：Li1-xFePO4+xLi+xe-LiFePO4。,正极外壳锂金属氧化物分离器锂石墨负极锂离子电池,3.1.6锂离子电池,锂离子电池的工作原理,3.1.6锂离子电池,锂离子电池的工作原理,3.1.6锂离子电池,SK动力电池内部结构,3.1.6锂离子电池,全球各大厂家在电动汽车中使用的锂电池技术,3.1.6锂离子电池,3.1.6锂离子电池,锂离子电池的充放电特性,在电压方面，锂离子电池对充电终止电压的精度要求很高，一般误差不能超过额定值的1%。充电电流方面，锂电池的充电率为0.51C。,放电方面，锂离子电池的最大放电电流一般被限制在23C左右。在造成过放电（低于3.0V）时，还会造成电池的失效。为了保证即使在负载大幅波动的情况下也能可靠运行，需要对高电压电池进行冷却处理。电池温度应该不超过45至60，取决于所使用的系统。在冷却效果较理想的情况下，电池的温度保持在40以下。,3.1.6锂离子电池,锂离子电池的充放电曲线,充电曲线,放电曲线,3.1.7飞轮电池,请思考？飞轮电池的组成有哪些？工作原理是什么？,工作原理,在储能时，外界电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮转子加速旋转，直至达到设定的某一转速。在飞轮加速旋转的过程中，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械动能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。之后，飞轮以设定的那一转速旋转，直到接受到一个能量释放的控制信号。释能时，电机作为发电机使用，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流和电压，完成机械动能到电能转换的释放能量过程。在释能的过程中，飞轮的转速不断的下降。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出。,3.1.7飞轮电池,飞轮储能汽车基本原理,利用飞轮的惯性储存能量的装置称飞轮储能装置，也称飞轮电池。安装有飞轮储能装置的汽车也称为飞轮储能汽车，它利用飞轮的惯性，储藏发动机非满负荷时剩余的能量和车辆下坡、减速行驶的能量，再驱动汽车行驶和加速飞轮旋转。,3.1.7飞轮电池,3.1.8超级电容,请思考：什么是超级电容，在结构上有什么特点？工作原理是什么？,3.1.8超级电容,电容的基本作用,电容的基本作用就是充电与放电，但由基本充、放电作用所延伸出来的许多电路现象，使得电容有着更丰富多彩的用途。在一般的电子电路中，常用电容器来实现旁路、耦合、滤波、振荡、相移以及波形变换等，这些作用都是充、放电功能的演变。,3.1.9锂-空气蓄电池,锂-空气蓄电池工作原理,在蓄电池放电时，电子从消耗向阳极转移，而金属阳离子通过电解液向多空阳极转移，并且在阳极与氧气发生反应，形成过氧化锂等。充电时发生逆向过程。,电池的其他前沿应用,实训任务：自制丹尼尔蓄电池和法拉第电动机,教师组织学生实训操作自制丹尼尔蓄电池和法拉第电动机。,工具：1.铜棒、锌棒、硫酸锌电解液、玻璃杯，顶部有两个开口的塑料杯盖、万用表、导线、发光二极管、镀锌钉、铜币（或铜导线）、柠檬等；2.尖嘴钳、小刀、小长条磁铁、漆包线1m左右、软电线20cm、平整硬泡沫板、透明胶带纸、回形针2个、5号南孚电池2个。,学习导航,3.2.1基本构成和功能,什么是BMS电池管理系统？主要作用是什么？,3.2.1基本构成和功能,BMS的总体功能有：,-采集电池组内每一串电池模块的电压值-采集每一串电池模块的温度或是某些特征位置的温度-采集电池组的实时总电压，充电或者放电电流-估算电池组SOC、SOH、SOE、最大可充放电功率等状态。-热管理冷却/加热控制-均衡管理实现电池组模块间的电量平衡-充电管理，并与充电机实现通讯，实现智能充电。-放电管理，并与整车控制器，仪表等实现通讯。-绝缘监测，高压控制与保护，故障诊断等。,3.2.1基本构成和功能,电池管理系统主要由主控盒（BCU）、从控盒（BMU）、采样线束、温度传感器、分流器等组成。电池管理系统在硬件上可以分为主控模块和从控模块两大块。主要由数据采集单元（采集模块）、中央处理单元（主控模块，）、显示单元、均衡单元检测模块（电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测）、控制部件（熔断装置、继电器）等组成。中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成，数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等组成。一般采用CAN总线技术实现相互间的信息通讯。,3.2.1基本构成和功能,BMS主控模块的主要作用有哪些？,3.2.1基本构成和功能,BMS从控模块模块的作用主要有哪些？,3.2.1基本构成和功能,在动力电池管理系统中的软件功能主要有哪些？,3.2.1基本构成和功能,BMS通过通讯接口与整车控制器、电机控制器、能量管理系统、车载显示系统、远程监控终端等进行通讯整个工作过程大致为：首先利用从控盒的数据采集模块采集各个电芯的电压和温度等数据，然后把采集到的数据发送给主控模块，主控模块对数据进行计算分析和处理后，发出相应的程序控制，对电池系统或电池进行调控，同时将实时数据发送到显示单元模块。,比较简单的电池通讯模式,3.2.1基本构成和功能,电池管理系统应在规定条件下，如过电压运行、欠电压运行、高低温环境下行情况下满足控制的精度要求。一般而言电池管理系统要实现哪几个功能？,热管理措施,3.2.1基本构成和功能,电池热管理内部结构设计,3.2.1基本构成和功能,纯电动汽车的电源管理系统,3.2.1基本构成和功能,电池能量管理系统构成,3.2.1基本构成和功能,动力电池管理系统与外部系统CAN通讯关系,3.2.1基本构成和功能,电芯电压检测接点电池温度检测：电池温度检测一般在电池模组上安置温度传感器检查，温度传感器安置在模组的接线柱附近，温度传感器的测量引线分别送到从控盒的接插件对应PIN脚上，由从控盒内电路测量处理，并经内部CAN线送到主控盒电路上处理。,3.2.1基本构成和功能,电芯电压检测用电阻阵列取电芯电压值，每个电芯的正极和负极引出检测线，连接到电阻阵列对应的电阻前，由控制板上的测量电路按顺序接通检测电阻；这样在检测电阻上就可以取出某个电芯的电压值。控制板上的测量电路把检测到的每个电芯的电压值比较、运算、判断，看看电芯一致性是否符合要求。放电时单个电芯达到放点截止电压，停止放电。充电时单个电芯达到充电截止电压，停止充电。,3.2.2电流检测,请思考：常用的电流检测方式有哪几种？,光纤传感器,分流器,互感器,霍尔元件电流传感器,3.2.2电流检测,1.分流器请思考：什么是分流？,分流器是测量直流电流用的，根据直流电流通过电阻时在电阻两端产生电压的原理制成。要测量一个很大的直流电流，例如几十安培，甚至更大，几百安培，没有那么大量程的电流表进行电流的测量，就要采用分流器。,3.2.2电流检测,2.互感器,工作原理在供电用电的线路中，电流相差从几安到几万安，电压相差从几伏到几百万伏。线路中电流电压都比较高，如直接测量是非常危险的。为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流电压，使用互感器起到变流变压和电气隔离的作用。显示仪表大部分是指针式的电流电压表，所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的。,3.2.2电流检测,3.霍尔元件电流传感器,请思考并简述开环式霍尔传感器的工作过程。请思考并简述闭环霍尔电流传感器的工作过程。,霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流Ic，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁场强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向(即霍尔输出端之间)，将产生一个电势VH，称其为霍尔电势，其大小正比于控制电流I0与磁场强度B的乘积。即有式中:K为霍尔系数，由霍尔元件的材料决定;I0为控制电流;B为磁场强度;VH为霍尔电势。,3.2.2电流检测,4.光纤传感器,请思考并简述物性型光纤传感器原理。请思考并简述结构型光纤传感器原理。,光纤传感器的基本工作原理将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。,3.2.2电流检测,电量管理,精确估计SOC的作用1)保护蓄电池。2)提高整车性能。3)降低对动力电池的要求。4)提高经济性。,SOC估算精度的影响因素（1）充放电电流（2）温度（3）电池容量衰减（4）自放电（5）一致性。,3.2.3动力电池的均衡管理,均衡系统分为能量耗散型均衡和能量非耗散型,能量耗散型均衡管理通过单体电池的并联电阻进行充电分流从而实现均衡；电路结构简单，均衡过程一般在充电过程中完成；由于均衡电阻在分流的过程中，不仅消耗了能量，而且还会由于电阻的发热引起电路的热管理问题；只适合在静态均衡中使用，其高温升等特点降低了系统的可靠性，不适用于动态均衡，仅适合于小型电池组或者容量较小的电池组。,能量非耗散型均衡能量非耗散式均衡电路拓扑结构目前已出现很多种，本质上均是利用储能元件和均衡旁路构建能量传递通道，将其从能量较高电池直接或间接转移至能量较低的电池。,3.2.3动力电池的均衡管理,能量耗散型均衡管理恒定分流电阻均衡充电,每个电池单体上都始终并联一个分流电阻。可靠性高，分流电阻的值大，通过固定分流来减小由于自放电导致的单体电池差异。无论电池充电还是放电过程，分流电阻始终消耗功率，能量损失大。一般在能够及时补充能量的场合适用。,恒定分流电阻均衡充电电路,3.2.3动力电池的均衡管理,能量耗散型均衡管理开关控制分流电阻均衡充电,工作在充电期间，可以对充电时单体电池电压偏高者进行分流，分流电阻通过开关控制。当单体电池电压达到截止电压时，阻止其过充并将多余的能量转化成热能。由于均衡时间的限制，导致分流时产生的大量热量需要及时通过热管理系统耗散，尤其在容量比较大的电池组中更加明显。,3.2.3动力电池的均衡管理,非能量耗散型均衡管理,（1）能量转换式均衡通过开关信号，将电池组整体能量对单体电池进行能量补充，或者将单体电池能量向整体电池组进行能量转换。,3.2.3动力电池的均衡管理,非能量耗散型均衡管理（2）能量转移式均衡,能量转移式均衡是利用电感或电容等储能元件，把电池组中容量高的单体电池，通过储能元件转移到容量比较低的电池上。该电路是通过切换电容开关传递相邻电池间的能量，将电荷从电压高的电池传送到电压低的电池，从而达到均衡的目的。由于过高或过低的温度都将直接影响动力电池的使用寿命和性能，并有可能导致电池系统的安全问题，并且电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体间性能的不均衡，因此电池热管理系统对于电动车辆动力电池系统而言是必需的。,3.2.3动力电池的均衡管理,电池组热管理系统,主要功能：电池温度的准确测量和监控；电池组温度过高时的有效散热和通风；低温条件下的快速加热；有害气体产生时的有效通风；保证电池组温度场的均匀分布。,3.2.3动力电池的均衡管理,混合动力电池均衡管理,3.2.3动力电池的均衡管理,电安全管理系统,电安全管理系统主要包括烟雾报警、绝缘检测、自动灭火、过电压和过电流控制、过放电控制、防止温度过高、在发生碰撞的情况下关闭电池等功能。请思考：现在常用的绝缘检测方法有哪几种？,Tesla的电池管理,电池安全管理系统,3.2.3动力电池的均衡管理,3.2.3动力电池的均衡管理,电安全管理系统,3.2.4数据通信系统,数据通信管理系统拓补图,数据通信是电池管理系统的重要组成部分之一。主要涉及